隧道稳定性分析

(1 2 ) p0 a2 4a 2 a 4 u 3 cos 2 1 r 1 r 2E r r r (1 ) p0 a2 a4 1 r 1 r 3 cos 2 2E r r
三、前苏联巴库地铁工程岩土分类 按岩层稳定性分类
8.1 工程岩体分类
四、中国科学院地质所以弹性波(纵波)速度为标 准的工程岩体结构分类
各类结构岩体中的弹性波传播特性
五、原煤炭工业部工程岩体分类
8.1 工程岩体分类
六、中国煤矿回采巷道围岩稳定性分类
8.1 工程岩体分类
8.1 工程岩体分类
(8-15b)
8.2 隧道围岩应力场
边界位移可令(7-15)中r=a得到，

(1 2 ) p0 u 1 a 2 1 a cos 2 2E 2 (1 ) p0 v 2 1 a sin 2 2E
并仍按表列的指标值确定本工程的工程岩体级别。
岩体基本质量指标修正值［BQ］可按下式计算：
式中
BQ BQ 100(K1 K2 K3 )
［BQ］──岩体基本质量指标修正值；
(8-5)
BQ ── 岩体基本质量指标；
K1── 地下水影响修正系数；
K2── 主要软弱结构面产状影响修正系数；
= λ
(a)
(b)
(c)
λ为任意值时围岩应力计算简图
8.2 隧道围岩应力场
这里
力学模型图b前面已讨论过，力学模型图c的弹性力学解为：
1 P (1 ) 2
1 Q (1 ) p 2
(8-11)
ra2 ra4 p r (1 )(1 4 2 3 4 ) cos 2 2 r r 4 ra p (1 )(1 3 4 ) cos 2 2 r ra2 ra4 p r (1 )(1 2 2 3 4 ) sin 2 2 r r
1963)，即
l RQD 100% L
l≥10cm
(8-6)
式中l── 长度大于10cm的岩芯单节长，
L── 同一岩层中的钻孔长度。 工程实践说明，RQD是一种比岩芯采取率更好的指标。根据它与岩石质 量之间的关系，可按RQD值的大小来描述岩石的质量。
8.1 工程岩体分类
按RQD大小的岩石工程分级
工程相关的几种工程岩体分类介绍如下。
8.1 工程岩体分类
一、 我国工程岩体分级标准
我国工程岩体分级具体分三步进行。首先，根据岩石的单轴抗压强度值Rc 和岩体的节理裂隙发育状况，确定岩体的基本质量；然后求出岩体基本质量指 标值 BQ并进行分级；最后考虑地下水软弱结构面和初始地应力状态的影响， 对岩体基本质量指标予以修正。
2
（8-15a)
(1 2 ) p0 2a 2 a 4 v 3 sin 2 1 r 2E r r 2a 2 a 4 3 sin 2 1 r r r
(1 2 ) p0 2E
K3── 初始应力状态影响修正系数。
K1、 K2、K3 值，可分别按下表确定。无表中所列情况时，修正系数取零。 ［BQ］出现负值时，应按特殊问题处理。
8.1 工程岩体分类
地下水影响修正系数K1
主要软弱结构面产状影响修正系数K1
8.1 工程岩体分类
初始应力状态影响修正系数K3
中华人民共和国国家标准 GB 50218----94
(8-12)
8.2 隧道围岩应力场
将(8-11)中
p 1 代入(8-10)式，求得力学模型图b的应力解为：
ra2 ra4 p r (1 )(1 4 2 3 4 ) cos 2 2 r r 4 ra p (1 )(1 3 4 ) cos 2 2 r ra2 ra4 p r (1 )(1 4 2 3 4 ) cos 2 2 r r
① 当Rc＞90Kv +30时，以Rc =90Kv+30和Kv代入计算BQ值； ② 当Kv＞0.04Rc +0.4时，应以Kv = 0.04Rc+0.4和Rc代入计算BQ值.
8.1 工程岩体分类 (2)按计算所得的值，进行岩体基本质量分级。 岩体基本质量分级
8.1 工程岩体分类
3.结合工程情况，计算岩体基本质量指标修正值［BQ］
(8-9)
8.2 隧道围岩应力场
圆形隧道围岩应力沿轴分布情形，如图所示，图中的数值如表。由图中可
见，切向正应力 在孔边最大，沿x轴方向急剧减小，趋近于初始应力P。 当r
ra2 r (1 2 ) p r

ra2 (1 2 ) p r r 0 r
(8-7)
r p
ra2 1 2 r r2 p , ra 1 2 r
r 0
(8-8)
由弹性力学理论，图(b)所示问题属厚壁圆筒弹性力学问题，其应力解 为：
2 r 1 a2 r 2 p , r r 0 ra 1 2 r r 由于 rb ra，故可令 ( a ) 2 0 ，式(8-9)变为： rb
(8-13)
将式(8-6)和(8-7)叠加，并假定 P
H ，即得到侧压系数 为任意值
时圆形隧道二次应力状态的计算公式：
8.2 隧道围岩应力场
ra2 ra2 ra4 r [(1 )(1 2 ) (1 )(1 4 2 3 4 )]cos 2 2 r r r 2 4 ra ra H r [(1 )(1 2 ) (1 )(1 3 4 )]cos 2 (8-14) 2 r r 2 4 ra ra H r (1 )(1 2 2 3 4 ) sin 2 2 r r
③ 分类有定量标准，最好是综合考虑各种相关因素，能够合理确定各种 因素的权重。
8.1 工程岩体分类
工程岩体分类，所依据的岩体力学参数与岩体结构参数主要有： 岩石的强度、 岩层的结构、岩体结构面的分布、 岩石风化程度、地下水的作用、 地应力大小和工程规模等因素。 工程岩体分类，目前国外和国内各行业共有几十种，现将与矿山岩体
(8-10)
4ra 时，切向正应力 和初始应力P仅相差6%
2
θ
，孔边最大应力集中
系数K=2。
r
0
a
1
2
3
4
5
/
a
λ＝1时的圆形隧道围岩应力分布图
8.2 隧道围岩应力场
λ＝1时圆形隧道围岩应力r/ra
8.2 隧道围岩应力场
二、圆形隧道侧压系数不等于1时的围岩应力场
侧压系数不等于1，即垂向主应力和水平方向主应力不相等，如图a所这 种应力状态可以分解围两种应力状态，即：第一种情形，在边界上承受均匀 压力(图b)；第二种情形，在上下边界上承受均匀压力，而在左右边界上受 均匀拉力(图c)。
当侧压力系数λ=1时，式(7-15)变成，
第八章 隧道稳定性分析
8.1 工程岩体分类 8.2 隧道围岩应力场 8.3 隧道围岩流变分析
8.1 工程岩体分类
岩体(或地层)作为地质介质，岩性差别很大，在形成过程和长期地质历史 过程中，形成了不同的结构形式和各种规模的非连续面，所以岩体种类繁多， 结构复杂，对于不同的岩体工程而言，对岩体结构稳定的要求和注重的力学属
式中 ── 岩体的容重；
H
H ── 平均埋深；
── 侧压力系数； r、 ── 极坐标；
ra ──
圆形洞室的半径。
8.2 隧道围岩应力场
我们用一实例说明侧压力系数 为任意值时围岩应力分布。设岩体泊松
0.2，侧压力系数
应力 。计算结果见下表，围岩应力分布如下图。
的工程地质岩组进行节理裂隙统计，根据统计结果计算岩体体积节理数
Jv(条/m3)；
J v S1 S2 Sn Sk
(8-3)
8.1 工程岩体分类
式中
Sn── 第n组节理每米长测线上的条数；
Sk ── 每立方米岩体非成组节理条数。
Jv 与Kv对照表
Kv与定性划分的岩体完整程度的对应关系
wenku.baidu.com
《工程岩体分级标准》
8.1 工程岩体分类
二、 岩石质量指标RQD(Rock Quality Designation)分类
RQD是以修正的岩芯采取率来确定的。岩芯采取率就是采取岩芯总长度 与钻孔长度之比。而RQD，即修正的岩芯采取率是选用坚固完整的、其长度
等于或大于10cm的岩芯总长度与钻孔长度之比，并用百分数表示(美国Deere
七、以隧道围岩松动圈大小为标准的隧道围岩 稳定性分类
8.2 隧道围岩应力场
地下岩体处于原始地应力状态， 除垂向地应力外，还有 水平方向的地应力，主应力的方向由区域地应力场决定。在岩 体开挖隧道(或峒室)后，会在隧道围岩内形成二次应力场，如 何求解隧道应力场是本节讨论的核心内容。本节主要包括三个 内容：当侧压系数为 1 ， 1 时，圆形隧道的围岩应力场 和隧道围岩变形。 采用的方法是弹性力学解析方法。
性也各有侧重。这样工程岩体分类也就十分必要。工程岩体分类的目的就在于，
对工程岩体质量的优劣给予明确的区分和定性的评价，为岩体工程建设的勘察、 设计、施工和编制定额提供必要的基本依据。 工程岩体分类，必须考虑如下几个方面的因素： ① 要明确分类应用目的，根据工程需要侧重哪些参数，划分多少等级。
② 分类级数要恰当，以级别划分明确方便和工程应用的必要性为依据。
8.2 隧道围岩应力场
一、圆形隧道侧压系数为1时的围岩应力场
所谓侧压系数是指隧道水平方向主应力与垂向主应力之此。圆形隧道 围岩应力场的计算力学模型如图。
q q
b
ra 0
q
0
(a)
(b)
λ＝1时的围岩应力计算图
8.2 隧道围岩应力场 图(a)的远场应力边界条件为：
对于图(b)有:
当x c1时, x p, yx 0 c1 a 当y c2时, y p, xy 0 c2 a
8.1 工程岩体分类
Rc与定性划分的岩石坚硬程度的对应关系
岩体完整性指数(Kv)可用弹性波测试方法确定： 式中
2 2 Kv Vpm / Vpr
(8-2)
Vpm── 岩体弹性纵波速度(km/s)； Vpr ── 岩石弹性纵波速度(km/s)。
当现场缺乏弹性波测试条件时，可选择有代表性露头或开挖面，对不同
λ=0.25时圆形隧道的围岩应力
1
0.25 ，按式(8-8)计算沿x、y轴的围岩
8.2 隧道围岩应力场
/
a
5
θ
4
/
3
3
2
r θ
2
-1
1
1
/
r a
1
0
a
0
1
2
3
4
5
/
a
＝90
＝0
λ=0.25时圆形硐室围岩应力分布图
8.2 隧道围岩应力场
三、圆形隧道的弹性变形
根据弹性力学的物理方程，由公式(8-14)可以求出侧压系数λ≠1时的 圆形隧道的弹性变形，其位移表达式为：
8.1 工程岩体分类
2.岩体基本质量分级
(1)岩体基本质量指标(BQ )按下式计算：
BQ 90 3Rc 250 Kv
式中 BQ ── 岩体基本质量指标；
Rc ── 岩石单轴饱和抗压强度的兆帕数值； Kv ── 岩体完整性指数值。 注意，使用本式时，应遵守下列限制条件：
(8-4)
1.确定岩体基本质量
岩石坚硬程度采用岩石单轴饱和抗压强度Rc 。当无条件取得Rc时，亦可 实测岩石的点荷载强度指数I5（50）进行换算，I5（50）指直径50mm圆柱形试件径 向加压时的点荷载强度,Rc与I5（50）的换算关系见下式
0.75 Rc 22.82 I s (50)
(8-1)